研究紹介 /  Research activities

ダストデビル(塵旋風)/Dust devil

ダストデビル/(Dust devil) @Arizona

 晴天時の日中、地上付近に生じる半径数m、秒速10〜20mくらいの突風をもつ鉛直渦です。 砂漠・裸地では地面よりダストを舞い上げるので、渦が可視化されます。 竜巻に似た見た目ですが、積乱雲に伴って生じる竜巻とは生成機構が異なります。 竜巻は最大風速が秒速50m以上に達しますが、ダストデビルはそこまでの強風は生じません。
 発生メカニズムや環境を数値シミュレーションを利用して調べています。 対流が生じている地表面近くの大気(対流混合層)で自発的に生成されます。 ハノーバー大学のグループが美しいシミュレーションのムービーを作成しています[ハノーバー大学サイトへのLink]
 数値解析だけでなく観測も行っています! ダストデビルの発生しているフィールド(アリゾナの砂漠、有名なSinclair 1969の論文とたまたま同じサイトに辿り着いた)で、ビデオ撮影し、PIV(画像解析)をしています。[論文へのリンク]
ビデオから切り出した写真(上図)は、第2回東京大学大気海洋研究所フォトコンテストで所長賞を受賞しました。 Fujiwara(2011)のドップラーライダーを用いた観測によれば、ダストデビルのような渦は砂漠だけでなく、都市部でも発生しているそうです。ただし、たまに校庭などを通る場合を除き、可視化はされません。

Dust devils are very small-scale atmospheric vortices with wind speeds of several 10 m/s and occur in fine weather conditions. They are visualized by lifted dust particles on the deseart.
I perform numerical simulation to investigate their formation mechanism and environmentals. Dust devils are spontaneouly formed in simulated convective turbulence.
I observed dust devils in fields on deserts in the Arizona state in the US, and have applied a PIV analysis for a movie of the dust devil. Fujiwara (2011) suggests dust devil-like vortices occur even in Japanese urban areas. In Japan, however, these vortices are hardly visualized due to the lack of dust particles on the surface except playgrounds.

大気境界層モデルとTerra Incognita問題 / PBL parameterization and its "Terra Incognita" problem

   

対流混合層 / Convective mixed (boundary) layer

 日中の大気はやかんを下から温めているような状態で、活発な対流が生じて大気最下層を対流混合層と呼びます。対流混合層は昼から午後にかけて1〜2km くらいの高さになります。理想的な条件下の対流混合層でシアがかかった場合や、回転系での振る舞いは興味深い研究 対象です。

ラージ・エディ・シミュレーション(LES) / Large Eddy Simulation

 大気の地表面付近の流れは乱流状態になっています。乱れ(渦)が様々なスケール間(大気では1kmから1mmくらいまで)で相互作用するため、非常に複 雑な現象です。大気流れを再現するとき、本来はすべての小さい渦を解像しつつ、大きい渦を領域に収めるようなシミュレーションをしなければなりません。し かしそのような計算は「京」コンピュータを利用しても実現が難しいです。小さいスケールの渦は、大きいスケールの渦と相似的な構造と考え、小さい渦の計算 を省くことで、計算コストがだいぶリーズナブルになります。これをラー ジ・エディ・シミュレーション(LES)といいます。LESは大気だけでなく、車とか飛行機とかの周りの乱流を調べるために汎用されます。手法も様々で す。日中の大気境界層の計算では、たとえ100m以下のスケールの渦の計算を省いた(解像しない)としても、おおまかな特徴は再現できます。しかし細かい 構造を捉えるためには、さらに解像度を1m(またはそれ以下の)オーダーまで向上させる必要があり、大変な計算になります。

 中西さんの公開しているLESをベースに、並列計算機で実行できるプログラムを開発し、「京」をはじめとする大型計算機でLESを行っています。


    Turbulence is always presented in the atmosphere near the surface. Complex flows in turbulence are caused by interactions between turbulent eddies whose scales are ranged from 1 km to 1 mm. All turbulent eddies should be considered to reproduce atmospheric flows, but it is impossible to involve all eddies even using a start-of-art or near future super-computers.

    Base on a assumption that structures of smaller scale eddies are likely to be similar to those of large eddies, LES (Large Eddy Simulation) allows us reasonable simulation of turbulence. LES is not only applied for atmosphere but also any turbulence that occur around cars or airfoils, for example. There are a lot of schemes for LES. Major characters of daytime atmospheric boundary layer can be seen by LES whose resolution of 100 m. However, to reproduce fine scale structures, resolution should be even on the order of 1 m or less. Such LES is a heavy job for supercomputers.
    I parallelized LES, and conduct heavy LES on supercomputers including the K-computer. My LES refers to the  one developed by Dr. Nakanishi.


Reproduced dust devil by LES


メソ気象のLES

  メソ気象で考慮するスケールは、大気下層の乱流のもっとも大きい渦のスケールより10倍位くらい大きいので、メソ気象の計算には「メソ気象モデル」、乱流 の計算には「LES」という棲み分けが従来なされてきましたが、LESの領域を広くすることで、メソ現象をもLESで再現します。

その他

    DNS、いろいろ